酶工程10酶的应用2012ppt课件

酶 工 程 Enzyme Engineering 第第 十十 课课 酶酶 的的 应应 用用 Application of EnzymesApplication of Enzymes Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶 方 法 手 段 固定化酶水 相 有机相 气 相 固 相 超临界相 离子液体 胶束体系 修 饰 酶 食食 品品 医医 药药 环环 境境 能能 源源 农农 业业 专专 一一 性性 强强 催化效率高催化效率高 反应温和反应温和 反应器反应器 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 工业用酶制剂的市场和发展历史 1981 年，全球工业酶制剂产量 65,000 t，产值 4 亿美元 1985 年，全球工业酶制剂产量 75,000 t，产值 6 亿美元 1998 年，全球酶制剂年销售额达 16 亿美元 2001 年，中国工业酶制剂总产量超过 32 万吨，产值 6 亿 多元 2008 年，全球工业酶制剂销售额超过 30 亿美元 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 工业用酶制剂的市场和发展历史 全球主要的酶制剂生产厂商 Novo Nordisk（诺和诺德，丹麦） Genencor（杰能科，美国） Gist-Brocades（荷兰，已被 Genencor 收购） Cultor（科特，芬兰） Solvay（苏尔威，比利时，已被 Genencor 收购） Chr. Hansen（汉森，丹麦） Rhone Ponlenc（罗兰普朗克，法国） Quest（荷兰） Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 工业用酶制剂的市场和发展历史 Novo Nordisk 公司简介 1923 年成立，总部位于哥本哈根，是世界 领先的生物制药公司，在全球 70 个国家设 有分支机构，销售遍及超过 179 个国家， 在胰岛素开发和生产方面居世界领先地位 Novozymes (诺维信) 是 Novo Nordisk 下属子公司，专门生产各种酶制剂产品 Novozymes 还出版发行 BioTimes 杂志 1994 年 Novozymes 在天津经济技术开发 区建立全球酶制剂生产基地，在北京中关 村设立中国首家外资生物技术研发中心 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 工业用酶制剂的市场和发展历史 工业酶制剂的来源 目前所用的工业酶中 水解酶水解酶 占了 80% 以上，其中蛋白酶、淀粉蛋白酶、淀粉 酶、脂肪酶酶、脂肪酶是目前工业应用的三大酶系 植物来源的酶 木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶、麦芽淀粉水解酶、辣根 过氧化物酶、大豆脂肪氧合酶 等 动物来源的酶 猪胰蛋白酶、胃蛋白酶、马肝过氧化物酶、蛇毒磷酸酯酶 等 微生物来源的酶 酵母醇脱氢酶、假单孢菌脂肪酶、青霉素酰化酶 等 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 工业用酶制剂的市场和发展历史 工业酶制剂的等级 工业级 食品级 医药级 工业酶制剂对酶稳定性的要求 干燥品：25 oC 保持 6 个月； 4 oC 保持 12 个月 液体酶：25 oC 保持 3 个月； 4 oC 保持 6 个月 酶制剂的纯度和催化活力决定了酶制剂的价格！酶制剂的纯度和催化活力决定了酶制剂的价格！ 注意：酶是通过催化活性来识别和注意：酶是通过催化活性来识别和 出售，而不是质量！出售，而不是质量！ Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 工业用酶制剂的市场和发展历史 酶制品研究开发的热点 食品加工用酶，特别是生产低聚糖的酶类 饲料用酶，重点是植酸酶 纺织用酶，特别是原果胶酶（protopectinase) 的开发与应用 化妆品用酶 药用酶：临床诊断用酶、治疗用酶等 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶的应用 酶在医药方面的应用 酶在食品方面的应用 酶在轻工和化工领域的应用 酶在环境保护方面的应用 酶在生物技术方面的应用 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 医用酶简史 2500 多年前，中国用麴治疗消化不良的疾病 1894 年，日本高峰让吉利用米曲霉淀粉酶治疗消化不良 20 世纪初，用胰岛素治疗糖尿病；1978 年，Genentech 公司在 E. coli 中表达出胰岛素 酶在医药方面的应用可归纳为下列三方面 用酶进行疾病的诊断 用酶治疗各种疾病 用酶制造各种药物 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病诊断 酶学诊断 根据体内原有酶活性的变化来诊断某些疾病 利用酶来测定体内某些物质的含量，从而诊断某些疾病 基本原理和依据 健康人体内某些酶量和活力是恒定在一定范围内的 人体患病时，由于组织、细胞受到损伤，或者代谢异常，导致体 内某些酶活性发生相应的变化 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病诊断 体内酶活性变化与相应的疾病（表） 酶疾病与酶活性变化 淀粉酶活性升高：胰脏疾病、肾脏疾病； 活性降低：肝病 胆碱酯酶活性降低：肝病、肝硬化、有机磷中毒、风湿等疾病 酸性磷酸酶活性升高：前列腺癌、肝炎、红细胞病变 碱性磷酸酶活性升高：佝偻病、软骨化病、骨瘤、甲状旁腺功能亢进； 活性降低：软骨发育不全 谷丙转氨酶谷丙转氨酶活性升高：肝病、心肌梗死等活性升高：肝病、心肌梗死等 谷草转氨酶谷草转氨酶活性升高：肝病、心肌梗死等活性升高：肝病、心肌梗死等 -谷氨酰转肽酶活性升高：原发性和继发性肝癌（200 单位以上）、阻塞性 黄疸、肝硬化、胆管癌等 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病诊断 体内酶活性变化与相应的疾病（续表） 酶疾病与酶活性变化 醛缩酶活性升高：急性传染性肝炎、心肌梗死 胃蛋白酶活性升高：胃癌：活性升高；十二指肠溃疡：活性降低 磷酸葡萄糖变位酶活性升高：肝炎、癌症 -葡萄糖醛缩酶活性升高：肾癌、膀胱癌 乳酸脱氢酶活性升高：肝癌、急性肝炎、心肌梗死； 乳酸脱氢酶同工酶LDH1 增高：心肌梗死、恶性贫血； LDH2 增高：白血病、肌肉萎缩； LDH3 增高：白血病、淋巴肉瘤、肺癌； LDH4 增高：转移性肝癌、结肠癌； LDH5 增高：肝炎、原发性肝癌、脂肪肝、心肌梗死等 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病诊断 体内酶活性变化与相应的疾病（续表） 酶疾病与酶活性变化 端粒酶端粒酶检出活性：癌症检出活性：癌症 碳酸酐酶活性升高：坏血病、贫血等 山梨醇脱氢酶活性升高：急性肝炎（显著升高） 5-核苷酸酶活性升高：阻死性黄疸、肝癌 脂肪酶活性升高：急性胰腺炎（显著升高）、胰腺癌、胆管炎 肌酸磷酸激酶活性升高：心肌梗死（显著升高）、肌炎、肌肉创伤 单胺氧化酶活性升高：肝脏纤维化、糖尿病、甲状腺功能亢进 磷酸己糖异构酶活性升高：急性肝炎（极度升高）、心肌梗死、急性肾炎 、脑溢血 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病诊断 根据体内酶活性变化诊断疾病实例 (1) 酸性磷酸酶（acid phosphatase，EC 3.1.3.2） 来源于骨、肝、肾、胰等，催化磷酸单酯水解（pH 56，37 oC） 诊断依据 前列腺癌患者及出现肝炎、甲状旁腺功能亢进，红 血球病变等疾病时，血清中酸性磷酸酶的活力都会升高 采用某些抑制剂的选择性抑制作用，可以检测特定的病变部位 乙醇、酒石酸：抑制前列腺酸性磷酸酶，对红细胞源性的较弱 Cu2+、甲醛：抑制红细胞酸性磷酸酶，对前列腺源性的较弱 活性测定方法 定磷法（检测产物磷酸浓度的变化速率，钼蓝显色光度法） 其他方法 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病诊断 根据体内酶活性变化诊断疾病实例 (2) 碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，EC 3.1.3.1） 主要由造骨细胞产生，催化磷酸单酯水解（pH 9.510，37 oC） 诊断依据 活性升高 骨骼疾病、甲状旁腺功能亢进、黄疸性肝炎等 活性降低 软骨发育不全 佝偻病的检测：高灵敏度 活性测定方法（同“酸性磷酸酶”） Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病诊断 根据体内酶活性变化诊断疾病实例 (3) (3) 谷丙转氨酶（谷丙转氨酶（GPTGPT，EC 2.6.1.2EC 2.6.1.2）和谷草转氨酶（）和谷草转氨酶（GOTGOT，EC EC 2.6.1.12.6.1.1） GPT 催化 Ala 与 -酮戊二酸之间的氨基转移反应 GOT 催化 Asp 与 -酮戊二酸之间的氨基转移反应 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病诊断 根据体内酶活性变化诊断疾病实例 (3) (3) 谷丙转氨酶（谷丙转氨酶（GPTGPT，EC 2.6.1.2EC 2.6.1.2）和谷草转氨酶（）和谷草转氨酶（GOTGOT，EC EC 2.6.1.12.6.1.1） 诊断依据诊断依据 肝脏疾病致使酶活性升高肝脏疾病致使酶活性升高 急性传染性肝炎诊断 GPT 和 GOT 活性急剧升高 肝病诊断 肝硬化和阻塞性黄疸肝炎，GPT 和 GOT 活性 升高 心肌梗死 GOT 活性显著升高 活性测定方法 酮酸与 2,4-二硝基苯肼显色法（生成 2,4-二硝基苯腙，棕红色 ） Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病诊断 根据体内酶活性变化诊断疾病实例 (4) 乳酸脱氢酶（LDH，EC 1.1.1.27）及其同工酶 催化乳酸脱氢生成丙酮酸（2,4-二硝基苯肼显色法测定其活力） 诊断依据 LDH 同工酶可采用醋酸纤维薄膜电泳或琼脂膜电泳分离 乳酸脱氢酶活性升高：肝癌、急性肝炎、心肌梗死； 乳酸脱氢酶同工酶 LDH1 增高：心肌梗死、恶性贫血； LDH2 增高：白血病、肌肉萎缩； LDH3 增高：白血病、淋巴肉瘤、肺癌； LDH4 增高：转移性肝癌、结肠癌； LDH5 增高：肝炎、原发性肝癌、脂肪肝、心肌梗死等 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病诊断 根据体内酶活性变化诊断疾病实例 (5) 葡萄糖磷酸异构酶（glucosephosphate isomerase，EC 5.3.1.9） 催化 6-磷酸葡萄糖异构化为 6-磷酸果糖（pH 7.8，37 oC） 诊断依据 急性肝炎患者血清中此酶活力极度升高 心肌梗死、肾炎、脑溢血患者此酶活力显著升高 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病诊断 根据体内酶活性变化诊断疾病实例 (6) 胆碱酯酶（cholinesterase，EC 3.1.1.8） 催化胆碱酯水解，生成胆碱和有机酸 诊断依据：发生传染性肝炎、肝硬化、风湿、营养不良等疾病时， 血清中胆碱酯酶活性下降 (7) (7) 端粒酶（端粒酶（telomerasetelomerase） 核糖核蛋白的一种，包含蛋白质和 RNA，催化端粒合成和延长 诊断依据：人体正常细胞内一般不能检测到端粒酶活性，但在分化 程度较低的癌细胞癌细胞中却可以明显检测到端粒酶活性 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病诊断 用酶测定体液中某些物质的量来诊断疾病（表） 酶待测物质用途 葡萄糖氧化酶葡萄糖测定血糖、尿糖，诊断糖尿病 葡萄糖氧化酶 + 过氧化物酶葡萄糖测定血糖、尿糖，诊断糖尿病 脲酶脲测定血液、尿液中脲的含量，诊断肝 脏、肾脏病变 尿酸酶尿酸检测痛风病 谷氨酰胺酶谷氨酰胺测定脑脊液中 Gln 含量，诊断肝昏 迷、肝硬化 胆固醇氧化酶胆固醇测定胆固醇含量，诊断高血脂等 DNA 聚合酶基因通过基因扩增 / 测序，诊断基因变异 ，检测癌基因 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病诊断 用酶测定体液中某些物质的量来诊断疾病的实例 (1) 糖尿病诊断 葡萄糖测定 利用葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，EC 1.1.3.4）催化葡萄糖氧 化的反应来定量检测血液 / 尿液中的葡萄糖含量 可以制作成葡萄糖氧化酶电极进行方便地检测 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病诊断 用酶测定体液中某些物质的量来诊断疾病的实例 (1) 糖尿病诊断 葡萄糖测定 葡萄糖氧化反应中生成的 H2O2 在过氧化物酶催化下与某些化合物 反应生成有色化合物，用光谱法进行定量检测 可以将葡萄糖氧化酶与过氧化物酶共同制成试纸，便于血液 / 尿液 中葡萄糖的检测 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病诊断 用酶测定体液中某些物质的量来诊断疾病的实例 (2) 肝脏、肾脏疾病检测 脲（尿素）测定 脲酶（脲酶（ureaseurease，EC 3.5.1.5EC 3.5.1.5）专一性催化尿素的水解反应：）专一性催化尿素的水解反应： 尿液中尿素氮占总氮的 8090%；血液中尿素氮占非蛋白总氮的 4065% 诊断依据 肾机能障碍时，尿液中脲含量减少而血液中脲增加 肝脏实质性病变时，脲的生成量减少，血液和尿液中的脲含量 均下降 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病诊断 用酶测定体液中某些物质的量来诊断疾病的实例 (3) 基因检测 癌症相关基因的检测 DNA 聚合酶（DNA polymerase，EC 2.7.7.7） 依赖于 DNA 的 DNA 聚合酶 以 DNA 为模板和引物，催化脱氧核苷三磷酸聚合成 DNA PCR 扩增 测序 与正常基因序列比对 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病预防和治疗 药用酶 直接将酶作为药物治疗疾病 药用酶专一性较强，疗效较好，但可能存在免疫排斥问题 部分疾病的治疗用酶（表） 治疗的疾病酶来源 治疗消化不良、食欲不振淀粉酶胰脏、麦芽、微生物 蛋白酶胰脏、胃、植物、微生物 脂肪酶胰脏、微生物 纤维素酶霉菌 治疗心肌梗死尿激酶人尿液 组织纤溶酶原激活剂转基因微生物、动物细胞 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病预防和治疗 部分疾病的治疗用酶（续表） 治疗的疾病酶来源 溶血栓溶纤酶、蚓激酶蚯蚓 纳豆激酶纳豆、纳豆生产菌 豆豉纤溶酶豆豉生产菌 降纤酶蛇毒 抗癌、抗白血病L-天冬酰胺酶E. coli L-精氨酸酶微生物 L-谷氨酰胺酶微生物 L-组氨酸（脱氨）酶微生物 预防辐射损伤和氧中毒预防辐射损伤和氧中毒超氧化物歧化酶（超氧化物歧化酶（SODSOD）来源广泛来源广泛 治疗细菌性和病毒性疾病溶菌酶蛋清、微生物 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病预防和治疗 部分疾病的治疗用酶（续表） 治疗的疾病酶来源 治疗青霉素引起的过敏反应青霉素酶蜡状芽孢杆菌 治疗出血性疾病凝血酶蛇、细菌、酵母等 预防龋齿右旋糖酐酶微生物 治疗动脉硬化、降血脂弹性蛋白酶胰脏 抗感染、治疗肝癌核糖核酸酶胰脏 治疗遗传缺陷病-半乳糖苷酶牛肝、人胎盘 基因治疗，治疗病毒性疾病核酸类酶生物来源或人工改造 治疗痛风尿酸酶牛肾 清除致病性抗原抗体酶分子修饰、诱导 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病预防和治疗 用酶进行治疗的实例 (1) 蛋白酶（proteinase） 来源：以动植物来源为主，如胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、菠萝蛋白 酶、胃蛋白酶等 主要功能：使蛋白质的构造和功能发生变化，对细胞运动、组织破 坏、变形、激素活化、受体和配基相互作用、感染、细胞增殖等过 程都有影响 给药方式：口服给药，局部外敷、肌肉注射、静脉注射 副作用：注射给药可引起人体免疫反应，过敏反应等（可以通过分 子修饰降低抗原性） Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病预防和治疗 用酶进行治疗的实例 (1) 蛋白酶（proteinase） 治疗消化不良和食欲不振 与淀粉酶、脂肪酶等制成复合制剂 胰酶：胰蛋白酶胰酶：胰蛋白酶 + + 胰脂肪酶胰脂肪酶 + + 胰淀粉酶胰淀粉酶；口服给药 作为消炎剂治疗炎症 机理：分解蛋白质和多肽，使炎症部位坏死组织溶解，增加组 织通透性，抑制浮肿，促进病灶附近组织积液排出，并抑制肉 芽的形成 治疗高血压 机理：蛋白酶催化运动迟缓素原及胰血管舒张素原水解，除去 部分肽段后，生成运动迟缓素及胰血管舒张素，使血压下降 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病预防和治疗 用酶进行治疗的实例 (2) 溶菌酶（lysozyme） 1922 年由弗莱明发现并命名；溶菌酶在蛋清中含量最高，具有抗菌 、消炎、镇痛作用 杀菌机理 作用于细菌的细胞壁（肽聚糖），可使其溶解死亡；对人体副 作用小 对抗生素有耐药性的细菌同样可起到溶菌作用，因此可与抗生 素联合使用，提高抗生素的疗效 抗病毒机理 与带负电荷的病毒蛋白、核酸等结合，形成复合物 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病预防和治疗 用酶进行治疗的实例 (3) (3) 超氧化物歧化酶（超氧化物歧化酶（superoxide dismutasesuperoxide dismutase，SODSOD，EC 1.15.1.1EC 1.15.1.1） 催化超氧负离子（O2-）的氧化还原，生成 O2 和 H2O2 来源广泛，从动物血液、多种植物中均可提取，也可通过微生物发 酵获得 功效：抗氧化、抗衰老、抗辐射抗氧化、抗衰老、抗辐射，主要用于治疗红斑狼疮、皮肌炎 、结肠炎、氧中毒等疾病 给药：注射、口服、外用等方式，未见明显副作用 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病预防和治疗 用酶进行治疗的实例 (4) L-(4) L-天冬酰胺酶（天冬酰胺酶（L-asparaginaseL-asparaginase，EC 3.5.1.1EC 3.5.1.1） 第一种治疗癌症的酶，对白血病白血病有显著疗效（商品名 Leunase） 作用机理 癌细胞缺乏 L-天冬酰胺合成酶，只能摄取外来的 L-Asn 而存 活；L-天冬酰胺酶进入癌细胞后，分解 L-Asn，切断了癌细胞 的营养供应，从而导致癌细胞死亡 有过敏反应！ Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 疾病预防和治疗 用酶进行治疗的实例 (5) 尿激酶（urokinase，UK，EC 3.4.21.73） 碱性蛋白酶，主要存在于哺乳动物尿液中，也可通过体外培养动物 的肾细胞获得，具有溶解血栓的功能 H-UK（54 kDa）和 L-UK（33 kDa） 作用机理： 纤溶酶原 （激活） 纤溶酶 纤溶酶催化水解血纤维蛋白、凝血因子等蛋白质水解 用于治疗各种血栓性疾病，如心肌梗死、脑血栓等，一般静脉注射 或局部注射给药，但专一性较差 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 药物生产 药物的酶法生产 利用酶的催化作用将前体物质转化为有活性的药物的技术过程 生产的药物酶主要来源 半合成青霉素、头孢菌素半合成青霉素、头孢菌素青霉素酰化酶青霉素酰化酶微生物微生物 氢化可的松11-羟基酶霉菌 多巴（L-二羟基苯丙氨酸）L-酪氨酸转氨酶细菌 阿拉伯糖腺嘌呤核苷（阿糖腺苷）核苷磷酸化酶微生物 聚肌苷酸、聚胞苷酸多核苷酸磷酸化酶微生物 猪胰岛素(Ala30)转变为人胰岛素(Thr30)无色杆菌蛋白酶细菌 人参皂苷-Rh2-葡萄糖苷酶黑曲霉等 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 药物生产 药物的酶法生产实例 1 青霉素酰化酶的应用 青霉素酰化酶（penicillin acylase，EC 3.5.1.11） 在医药工业上广泛使用的一种酶，1973 年已用于工业化生产，用于 制造半合成青霉素和头孢菌素 催化反应类型 催化青霉素水解生成 6-氨基青霉烷酸（6-APA） 催化头孢菌素水解生成 7-氨基头孢霉烷酸（7-ACA） 催化 6-APA 或 7-ACA 的酰基化反应，生产半合成青霉素或半 合成头孢菌素 反应方向控制 水解反应：弱碱性，pH 7.08.0 酰化反应：弱酸性，pH 5.07.0 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 药物生产 药物的酶法生产实例 1 青霉素酰化酶的应用 半合成青霉素的生产 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 药物生产 药物的酶法生产实例 1 青霉素酰化酶的应用 半合成头孢菌素（先锋霉素）的生产 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 药物生产 药物的酶法生产实例 2 神经递质多巴的生产 “多巴（DOPA）”，学名为“3,4-二羟苯丙氨酸”，是一种重要的 神经递质，用于治疗帕金森（Parkinson）综合症 多巴合成的相关酶 单酚单加氧酶（monophenol monooxygenase，EC 1.14.18.1） -酪氨酸酶（-tyrosinase，EC 4.1.99.2） Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 药物生产 药物的酶法生产实例 2 神经递质多巴的生产 单酚单加氧酶催化 L-Tyr 羟基化 从邻苯二酚与丙酮酸、氨缩合制备（-酪氨酸酶催化） Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 药物生产 药物的酶法生产实例 3 人参皂苷 Rh2 的生产 人参皂苷 Rh2 （ginsenoside Rh2）属于三萜类皂苷，具有较强 的抗肿瘤活性 人参皂苷 Rh2 在人参中含量很低，化学合成难度大 人参皂苷 Rh2 与 其他人参皂苷的差别 在于糖基的种类和数 目不同，因此可以从 其他类型的人参皂苷 经生物转化得到。 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在医药方面的应用 药物生产 药物的酶法生产实例 3 人参皂苷 Rh2 的生产 利用 -D-葡萄糖苷酶（-D-glucosidase，EC 3.2.1.21）催化人 参二醇皂苷中 -D-葡萄糖残基的水解制备人参皂苷 Rh2 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在食品方面的应用 酶在食品方面的应用具有悠久的历史， 也是目前应用酶制剂最广泛的领域 食品保鲜应用 食品生产 食品添加剂生产 改善食品的品质和风味 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在食品方面的应用 食品保鲜 食品除氧保鲜 O2 引起的食品变质 氧化不饱和油脂，产生不良气味，降低营养价值 食品褐变：食品中的多酚被氧化成醌类物质 食品除氧 葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，EC 1.1.3.4）催化 O2 的消耗 在食品中，加入含葡萄糖和葡萄糖氧化酶的多孔保鲜袋 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在食品方面的应用 食品保鲜 蛋白类制品脱糖 蛋白类制品中混入的少量的葡萄糖与蛋白质长时间接触会影响这 些制品的色泽和溶解性 脱糖处理：使用葡萄糖氧化酶，在蛋白类制品成型前先除去糖 食品灭菌保鲜 微生物污染是导致食品腐败变质的重要原因 溶菌酶（lysozyme，EC 3.2.1.17） 专一性地作用于细菌细胞壁肽聚糖中 N-乙酰胞壁酸和 N-乙酰葡萄 糖胺之间的 -1,4-糖苷键，从而破坏细胞壁，使细菌溶解 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在食品方面的应用 食品生产 古老的手工业部门 食品工业是最早和最广泛应用酶的部门之一，已有几十种商品化 的酶成功地应用于食品工业 世界食品用酶中的 60% 由 Novozymes 公司提供 酶在主要几类食品工业中应用 淀粉类食品生产 蛋白类食品生产 果蔬类食品生产 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在食品方面的应用 食品生产 淀粉类食品生产 酶在淀粉类产品中的应用（表） 酶用 途 -淀粉酶生产糊精、麦芽糊精 -淀粉酶、糖化酶生产淀粉水解糖、葡萄糖 -淀粉酶、-淀粉酶、支链淀粉酶生产饴糖、麦芽糖、啤酒酿造 支链淀粉酶生产直链淀粉 糖化酶、支链淀粉酶生产葡萄糖 -淀粉酶、糖化酶、葡萄糖异构酶生产果葡糖浆、高果糖浆、果糖 环糊精葡萄糖基转移酶生产环糊精 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在食品方面的应用 食品生产 淀粉类食品生产 (1) 葡萄糖生产 - -淀粉酶淀粉酶（-amylase，EC 3.2.1.1）：随机从淀粉链中切开 -1,4- 糖苷键，生成中等分子量的糊精和部分还原糖 糖化酶糖化酶（glucoamylase，EC 3.2.1.3）：作用于淀粉或糊精，从非 还原端开始逐个水解 -1,4-糖苷键，生成葡萄糖 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在食品方面的应用 食品生产 淀粉类食品生产 (2) 用木糖异构酶生产果葡糖浆 木糖异构酶（xylose isomerase，EC 5.3.1.5）能催化 D-醛糖与 D- 酮糖之间的异构化反应 其最适底物是 D-木糖，但能催化 D-葡萄糖生成 D-果糖，现多采用 固定化木糖异构酶来生产果葡糖浆 主要工艺 升高反应温度，使平衡向生成 D-果糖的方向移动（吸热）， 最适温度 6070 oC，控制异构化率 4245% 脱色、精制、浓缩，得到固形物含量 71% 的果葡糖浆 将 D-葡萄糖从糖浆中分离，进一步异构化，可得高果糖浆 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在食品方面的应用 食品生产 淀粉类食品生产 (3) 环糊精的生产 由环糊精葡萄糖基转移酶（cyclodextrin glucosyl transferase， CGTase，EC 2.4.1.19）作用于淀粉而制得 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在食品方面的应用 食品生产 蛋白类食品生产 干酪（cheese）的生产 干酪，即奶酪，是乳中的酪蛋白凝固而成的一种食品，主要含蛋白 质、乳脂、维生素和少量无机盐 凝乳蛋白酶生产干酪 牛乳中含 -、-、- 三种酪蛋白 -酪蛋白被凝乳蛋白酶催化水解成副 -酪蛋白，释放出分子量 6,0008,000 的可溶性糖肽 副 -酪蛋白能与 Ca2+ 结合而凝固 - 和 -酪蛋白对 Ca2+ 敏感，又失去了 -酪蛋白的抗凝固保护 ，因此一起凝固生成奶酪 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在食品方面的应用 食品生产 果蔬类食品生产 果胶酶在果汁和果酒生产中的应用 果胶（pectin）是广泛存在于植物细胞壁中 的一种天然多糖，主要结构是含 -1,4-糖苷 键的部分甲酯化的聚半乳糖醛酸 果胶酶（果胶酶（pectinasepectinase）是一种多酶复合体系，）是一种多酶复合体系， 是所有具有分解果胶质性能的酶的总称是所有具有分解果胶质性能的酶的总称 果胶酯酶（果胶酯酶（pectinesterasepectinesterase，PEPE，EC EC 3.1.1.113.1.1.11） 聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase， PG）分为内切（endo-PG，EC 3.2.1.15 ）和外切（exo-PG，EC 3.2.1.67）两种 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在食品方面的应用 食品生产 果蔬类食品生产 果胶酶在果汁和果酒生产中的应用 水果中大量的果胶造成果肉压榨困难，出汁率低，果汁浑浊 在果肉压榨之前，一般先将新鲜果肉用果胶酶处理，提高出汁率， 有利于分离果肉，澄清果汁 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在食品方面的应用 食品添加剂生产 食品添加剂 为改善食品的品质和色、香、味，以及为了防腐和加工工艺需要 而加入到食品中的天然的或化学合成的物质 添加剂主要类型 酸味剂 乳酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸等 甜味剂 高果糖浆、阿斯巴甜等 增味剂（鲜味剂） L-谷氨酸及其盐、肌苷等 乳化剂 甘油单酯、大豆磷脂、“起云剂”等 其他 食用色素、食用香精 食品防腐剂、增稠剂等 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶在食品方面的应用 食品添加剂生产 甜味剂阿斯巴甜（AsPartame）的合成 第七章 食品乳化剂甘油单酯的生产 第七章 酶 的 应 用 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在食品方面的应用 改善食品品质和风味 风味酶改善食品风味 直接以酶制剂的形式加入到食品中以改善或强化食品风味的酶 风味酶水解食物中的某些物质，释放出特殊的风味 例：奶油风味酶 作用于含乳脂和奶油的食品 增强奶油香味 面包 / 糕点制作 -淀粉酶 水解淀粉，产生麦芽糖和葡萄糖，有利于酵母利用 并产生 CO2，使面包变得松软 -淀粉酶 水解淀粉，产生麦芽糖，改善风味，防止面包老化 蛋白酶 水解蛋白质，有利于软化面筋，保持面包松软 脱脂奶粉 + 乳糖酶 改善糕点的色泽与质量 脂肪酸氧化酶 氧化分解不饱和脂肪酸，产生芳香味 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在食品方面的应用 改善食品品质和风味 蔗糖酶处理食品 催化蔗糖水解生成甜度更高的果糖，用于食品增甜 苦味的去除 氨肽酶 / 羧肽酶 鱼蛋白中苦味肽水解 -鼠李糖苷酶 去除橙汁等柑橘类果汁中具有苦味的柚苷 乳制品香味的提升 脂肪酶 / 酯酶 催化脂肪酸分解，增加香气和乳化性 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在轻工和化工领域的应用 酶在轻工业方面的应用，促进了新产品、新工艺和新技 术的发展 酶制剂的广泛应用，提高了生产效率，降低原材料消耗 ，还提高了产品质量 应用 原料处理 生产化工产品 增强产品的使用效果 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在轻工和化工领域的应用 原料处理 (1) 发酵原料处理 淀粉 大部分微生物难以利用淀粉，必须先将淀粉水解成可利用的糖 用 -淀粉酶液化淀粉，而后用糖化酶处理制糖 纤维素 用纤维素酶处理、水解 戊聚糖（木聚糖、阿拉伯糖等） 戊聚糖存在于植物原料中 用戊聚糖酶处理、降解 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在轻工和化工领域的应用 原料处理 (2) 纺织原料处理 织物上浆和褪浆 为增强纤维的强度和光滑性，便于纺织，需要先行上浆 淀粉用 -淀粉酶处理，达到合适黏度后上浆 在漂白、印染工序之前，用 -淀粉酶水解浆液，褪尽浆液 布料表面纤维的处理 丹麦 Novo 公司首先用纤维素酶处理牛仔布的棉纤维，增加面料的 古朴的感觉 里氏木霉（T. reesei）酸性纤维素酶处理棉和麻的纤维，除去纤维 表面的毛，使纤维表面发出光泽，并产生自然和柔软性 用蛋白酶处理羊毛面料，使西装面料的质量得到极大改善 T. reesei Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在轻工和化工领域的应用 原料处理 (3) 纸浆的处理 木质素去除 传统化学方法：碱性硫酸盐和二氯化盐处理，致癌，环境污染 酶处理法：采用木质素酶（ligninase）降解，大大减轻污染 纸浆漂白 传统化学方法：二氯化盐漂白处理 酶处理法：木聚糖酶、半纤维素酶、木质素过氧化物酶等处理 纸张回收利用 利用纤维素酶除去旧纸张上的墨迹（机理不明） Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在轻工和化工领域的应用 原料处理 (4) 生丝脱胶 天然蚕丝表面包裹着一层丝胶，为提高丝的质量，可采用胰蛋白 酶、木瓜蛋白酶或微生物蛋白酶在温和条件下处理脱胶 (5) 羊毛除垢 羊毛表面的鳞垢是由蛋白质堆积而成的聚合体，可以用枯草杆菌 蛋白酶除去，提高羊毛的着色率 (6) 皮革软化和脱毛 几千年来人们利用动物排泄物提取物进行皮革软化，1908 年， 德国人 Rohm 改进软化工艺，用胰蛋白酶进行皮革软化 目前已广泛使用碱性、中性蛋白酶水解毛囊中蛋白质而使毛脱落 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在轻工和化工领域的应用 原料处理 (7) 烟草原料处理 用纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶等进行烟梗、烟末处理，提高 烟草的质量 用硝酸还原酶和蔗糖转化酶处理烟草，可以增加香气 用淀粉酶、蛋白酶处理，协调烟草中各种成分的比例 (8) 甜菜的处理 为减少甜菜中棉子糖（一种三糖）对蔗糖结晶的影响，采用蜜二 糖酶处理甜菜，将棉子糖水解成蔗糖和半乳糖，提高蔗糖产量和 回收率 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在轻工和化工领域的应用 原料处理 (9) 植物油脱胶 植物油在精炼时，需要脱除其中的磷脂，即脱胶处理 采用磷脂酶作用于磷脂 A1 或 A2 位酯键，将疏水性的二脂肪酸甘 油磷脂水解成亲水性的单脂肪酸甘油磷脂，通过水化作用除去 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在轻工和化工领域的应用 生产化工产品 酶法生产 L-氨基酸 将底物前体转化成 L-氨基酸 将 DL-氨基酸外消旋体拆分生产 L-氨基酸 实例 氨基酰化酶光学拆分 DL-酰基氨基酸 天冬氨酸酶催化延胡索酸氨基化生产 L-天冬氨酸 己内酰胺水解酶生产 L-赖氨酸 噻唑啉羧酸水解酶合成 L-半胱氨酸 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在轻工和化工领域的应用 生产化工产品 酶法生产 L-氨基酸 例：由外消旋 DL-氨基-己内酰胺生产 L-赖氨酸 Enzyme_1：L-氨基-己内酰胺水解酶（EC 3.5.2.11） Enzyme_2：-氨基-己内酰胺消旋酶（EC 5.1.1.15） Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在轻工和化工领域的应用 生产化工产品 酶法生产有机酸 例：由延胡索酸合成 L-苹果酸 Enzyme：延胡索酸水合酶（EC 4.2.1.2） 工业上已采用固定化黄色短杆菌或产氨短杆菌的延胡索酸酶连续生 产 L-苹果酸 Enzyme Enzyme EngineeringEngineering Application of Enzymes 酶 的 应 用 酶在轻工和化工领域的应用 生产化工产品 酶法生产化工原料 例：腈水合酶（EC 4.2.1.84）催化腈类化合物与水加成 制备丙烯酰胺 制